3. Электронная структура с60
Диаграмма
энергетических уровней изолированной
молекулы С60
схематически
показана на рисунке
2.
Колебательные состояния, связанные с
каждым электронным состоянием, лежат
выше соответствующего бесколебательного
уровня на энергию (E),
равную целому числу квантов энергии
колебаний. Поглощение и испускание
света между основным состоянием и первым
возбужденным синглетным состоянием
должны отсутствовать из-за того, что
такие переходы запрещены по соображениям
симметрии. Поэтому оптические переходы
между этими состояниями могут происходить
только при участии фононов.
Рисунок
2.
Диаграмма энергетических уровней
изолированной молекулы С60.
Экспериментальные и теоретические работы свидетельствовали о том, что энергия электронных переходов между наивысшей заполненной и наинизшей незаполненной молекулярными орбиталями (HOMO—LUMO) в С60 (как в изолированной молекуле, так и в конденсированном состоянии) лежит в оптическом диапазоне. Первое детальное теоретическое исследование электронной структуры С60 в твердотельном состоянии было выполнено Саито и Ошиямой. Физические свойства молекулы определяются ее электронной структурой, и в этом отношении С60 не имеет аналогов. В молекуле С60 имеется 60 пи-электронов, которые находятся в наименее связанных состояниях и, таким образом, определяют, как С60 будет связываться с другими атомами или молекулами в твердом состоянии.
Распределение по энергиям этих пи-электронов показано на рис. 3. Пары пи-электронов с противоположным спином заполняют 30 нижних энергетических состояний (эти уровни показаны на рисунке 3). Обозначения уровней a, t, g и h соответствуют кратностям вырождения 1, 3, 4 и 5, а индексы g и и относятся к четной и нечетной симметрии волновой функции. Число состояний на уровне определяется побочным квантовым числом L; самый нижний уровень ag (L = 0) содержит одно состояние, следующий t1u (L = 1) содержит три состояния и т.д. Уровень с моментом L = 5, содержащим 11 состояний, на которых могут разместиться 22 электрона, вследствие икосаэдрической симметрии оказывается, расщеплен на три отдельных уровня: hu + t1u + t2u. На самом нижнем из них, hu, находится 10 электронов, и это есть наивысшая заполненная молекулярная орбиталь; следующий уровень, t1u, называется наинизшей незаполненной молекулярной орбиталью, на нем может располагаться до 6 электронов.
Рисунок 3. Распределение по энергиям 60 пи-электронов изолированной молекулы и зонная диаграмма энергетических уровней ГЦК фуллерита С60.
Рассмотрим гипотетическую молекулу C60^10+. Полностью заполнены s, р, d, f, g-оболочки, принимающие соответственно 2, 6, 10, 14 и 18 электронов, итого 50. Полное заполнение ведет к тому, что угловые моменты распределены равномерно; гипотетическая молекула С60^10+ не имеет отклонений от икосаэдрической симметрии и не имеет различий в длине связей. В нейтральной молекуле нижний уровень hu оказывается полностью заполнен десятью электронами, которые образуют конфигурацию, аналогичную конфигурации локализованных сигма-орбиталей вдоль (6,6)-связей. Это приводит к слабой локализации пи-электронов вдоль ребра между гексагонами. Добавление 12 электронов на свободные уровни t1u и t2u возвращает симметрию, и длина связей выравнивается (случай Li12C60). Расчетные длины связей и собственных колебаний молекулы находятся в хорошем согласии с экспериментом по комбинационному рассеянию света, инфракрасному поглощению,
неупругому нейтронному рассеянию. Для зазора HOMO—LUMO изолированной молекулы С60 рассчитано значение 1.9 эВ. В конденсированном состоянии этот зазор уменьшается из-за перекрытия волновых функций, связанного с соседними молекулами. Рассчитанная зонная структура С60 в твердотельном состоянии (ГЦК-решетка) показана на рисунке 3 справа. Наблюдается дисперсия в энергии пяти hu-вычисленных валентных зон и трех t1u - вычисленных зон проводимости. Вычисления показывают, что твердотельный С60 в ГЦК-решетке представляет собой прямозонный полупроводник с шириной запрещенной зоны 1.5 эВ. Оптические переходы между потолком валентной зоны и дном зоны проводимости являются запрещенными по соображениям симметрии, так как волновые функции начального и конечного состояний имеют одинаковую четность.
Несмотря на многочисленные исследования электронной структуры С60, сведения об области энергий вокруг уровня Ферми остаются противоречивыми. Зонная структура С60 в ГЦК-решетке сходна со строением энергетических уровней изолированного кластера С60. Для зазора HOMO—LUMO изолированной молекулы С60 рассчитано значение 1.9 эВ. В конденсированном состоянии этот зазор уменьшается из-за перекрытия волновых функций, связанного с соседними молекулами. Наблюдается дисперсия в энергии пяти вычисленных валентных зон hu и трех вычисленных зон проводимости t1u. Вычисления показывают, что фуллерит С60 в ГЦК-решетке представляет собой прямозонный полупроводник с минимумом энергетической щели в точке X зоны Бриллюэна. Расчеты в приближении квазичастиц предсказывают величину щели 2.15 эВ, метод локальной плотности дает явно заниженное значение 1.5 эВ. Наиболее надежным значением для энергетического расстояния между серединами зон HOMO и LUMO можно считать 3.36 эВ при теоретическом значении 3 эВ. Ионизационный потенциал равен 7.62 эВ, сродство к электрону 2.65, энергия низшего триплетного состояния 1.7 эВ. Работа выхода для аморфных пленок С60 определена как 4.53 эВ. Кулоновское взаимодействие между молекулами составляет U=1.6 эВ. Такое значение U должно приводить к возникновению экситонов Френкеля в районе 1.5-2 эВ. Возникновение экситонов Френкеля и экситонов с переносом заряда, характеризующихся тем, что возбужденный электрон находится на одной молекуле, а дырка на другой.